추천 서문
이보디보:
미래 생물학의 메가트렌드
장대익(미국 터프츠 대학 인지연구소 방문연구원)
지난 2백여 년 동안의 과학사에서 가장 극적인 드라마가 펼쳐진 분야는 어디일까? 틀림없이 많은 이들이 아인슈타인을 떠올리며 상대성 이론과 양자역학이 출현한 물리학 분야를 지목할 것이다. 하지만 생물학도 만만치 않다. 다윈의 진화론, 멘델의 유전학, 왓슨과 크릭의 분자생물학처럼 생물학에도 아인슈타인 못지않은 영웅들이 있었고 혁명이랄 만한 큰 변화들이 일어났기 때문이다. 오히려 지난 십여 년 동안의 성과들을 보면 물리학이 생물학에 과학의 대표선수자리를 물려주고 있는 느낌이 들 정도이다. 생물학의 놀라운 연구성과들이 각종 매체를 통해 흘러나오는 주기는 시간이 갈수록 점점 더 짧아지고 있다. 가히 ‘생물학의 시대‘이다. 왜 이런 폭발적인 성장이 생물학계에서 유독 두드러지게 나타나는 것일까?
현대 생물학의 역사를 살펴보면 왜 최근 들어 생물학의 꽃봉오리가 활짝 펼쳐지고 있는지 짐작할 수 있다. 한마디로 말하면 생물학분야에서 ‘새로운 종합(new synthesis)‘이 일어나고 있기 때문이다.
어떤 이들은 이것을 ‘통섭(統攝, consilience)‘으로, 다른 이들은 ‘통합(unification)‘, ‘융합(融合)‘, ‘수렴(convergence)‘, 심지어 ‘잡종(hybrid)‘으로 부르기도 하지만, 어떤 용어든 상관은 없다. 중요한것은, 서로 다른 전통 속에서 진화해온 생물학의 세부 분야들이 무엇 때문인지 최근 십여 년 전부터 서로에게 적극적으로 손을 내밀고있다는 사실이다.
‘이보디보(Evo Devo)‘는 이런 통섭 흐름을 주도하는 새로운 브랜드이다. 진화발생생물학(evolutionary developmental biology)의애칭인 ‘이보디보‘는 표면적으로는 발생생물학과 진화생물학이 만나서 생긴 하나의 잡종 정도로 여겨질 수 있지만, 사실상은 현대의 거의 모든 생물학 분야를 진화와 발생의 두 용매로 녹인 ‘통합생물학적 성격을 강하게 띠고 있다. - P9
하지만 이른바 대칭동물에서 발견된 호메오 유전자인 혹스 유전자는 우리를 또 한 번 놀라게 한다. 초파리의 혹스 유전자를 생쥐의 배아에 이식하게 되면 과연 어떤 일이 벌어질까? 항상 그런 것은 아니지만 어떤 혹스 유전자들은 생쥐에 들어가서도 생쥐의 정상적인혹스 유전자들이 담당해야 할 몫을 잘 수행한다.
이런 점에서 Pax-6 유전자는 더욱 흥미롭다. 눈 발생을 조절하는유전자는 척추동물에서는 Pax-6이고 초파리의 경우에는 아이리스(Eyeless)이다. 물론 곤충의 눈은 겹눈으로서 척추동물의 눈과는 구조, 구성 재료, 그리고 작동 방식에서 엄청난 차이를 갖고 있다. 그런데 만일 초파리의 아이리스 유전자를 생쥐의 배아에 이식시키거나 반대로 생쥐의 Pax-6를 초파리의 배아에 이식시키면 어떤 현상이발생할까? 놀랍게도 두 경우 모두 정상적인 눈이 발생한다. 즉 생쥐의 배아에서는 생쥐의 눈이. 초파리의 배아에서는 초파리의 눈이 정상적으로 발생한다. 심지어 사람의 Pax-6 유전자를 거미의 배아에 삽입하면 그 배아는 거미의 정상적인 눈을 발생시킬 것이다.
도대체 어떻게 이런 일이 가능할까? Pax-6와 아이리스 유전자가 배아 발생의 꼭대기에서 미분화된 세포의 운명을 조절하는 스위치역할을 하기 때문이다. Pax-6 유전자를 발견하는 데 큰 공헌을 한 스위스의 발생학자 게링(W. J. Gehring)은 이런 유형의 유전자를 ‘마스터 조절 유전자(master control genes)‘라고 명명했다. 곤충과 척추동물의 심장 발생을 동일한 방식으로 관장하고 있는 틴먼 유전자도 그런 마스터 조절 유전자들 중 하나이다.
물론 하나의 수정란에서부터 어떻게 복잡한 성체가 발생할 수 있는지는 생물학의 오랜 수수께끼이며 아직도 완전히 풀린 것은 아니다. 하지만 20여 년 전부터 발전하기 시작한 발생유전학의 도움으로 혹스 유전자와 같은 조절 유전자(regulatory gene)들이 하나둘씩 밝혀지게 되면서 발생의 문제는 전통적인 발생학의 영역을 훌쩍 넘어버렸다. 우선 유전자 발현 메커니즘에 대한 분자생물학 · 세포생물학·발생유전학적 지식들이 필수적으로 들어오고, 염기서열을 확인하기 위한 유전체학(genomics)과 그 발현 과정을 연구하는 단백질학(proteomics)도 필요하며, 상이한 문들(phyla) 간의 상동성(homology)를 따져보기 위한 계통학(phylogenetics)도 개입될 수밖에 없다. 물론 이런 상동성은 진화생물학에 의해서 설명된다.
게다가 고생물학은 생명이 진화의 역사를 거치면서 어떻게 새로운 몸형성 계획(bauplan)과 참신한 형질들 (novelties)을 획득하게되었는지에 초점을 맞춤으로써 발생의 수수께끼를 다른 각도에서 바라보게 되었다. 예컨대 고생물학자들은 화석 연구를 통해 초기의 사지동물의 발가락이 5개가 아니라 8개라는 사실을 발견했는데, 이런 발견들은 조상의 사지가 과연 어떻게 생겨났으며 사지의 발생이 어떻게 진화했는지에 대한 새로운 실마리를 제공한다. 이보디보는이 모든 분야들을 진화와 발생이라는 키워드로 묶어 생명체의 모든 변화에 대한 통합적 설명을 시도한다. - P14
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